Ein Forschungsteam der University of Minnesota-Twin Cities hat zum ersten Mal einen einzigartigen topologischen halbmetallischen Materialfilm synthetisiert, der das Potenzial hat, mehr Rechenleistung und Speicherkapazität zu erzeugen und gleichzeitig den Energieverbrauch drastisch zu senken. Darüber hinaus untersuchte das Team das Material sorgfältig und gewann wichtige Einblicke in die Physik hinter seinen einzigartigen Eigenschaften.
Die Forschung wurde kürzlich in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
Wie der jüngste CHIPS and Science Act in den Vereinigten Staaten zeigt, besteht ein wachsender Bedarf, die Halbleiterfertigung zu steigern und die Forschung zur Entwicklung der Materialien zu unterstützen, die elektronische Geräte überall antreiben. Während herkömmliche Halbleiter heute die Technologie hinter den meisten Computerchips sind, sind Wissenschaftler und Ingenieure immer auf der Suche nach neuen Materialien, die mit weniger mehr Leistung erzeugen können, um die Elektronik besser, kleiner und effizienter zu machen.
Ein mögliches Material für diese neue Klasse verbesserter Computerchips ist eine Klasse von Quantenmaterialien, die als topologische Halbmetalle bezeichnet werden. Die Elektronen in diesen Materialien verhalten sich auf unterschiedliche Weise und verleihen den Materialien einzigartige Eigenschaften, die bei typischen Isolatoren und Metallen, die in elektronischen Geräten verwendet werden, nicht zu finden sind. Daher werden diese Materialien für den Einsatz in spintronischen Geräten untersucht. Spintronische Geräte sind eine Alternative zu herkömmlichen Halbleitergeräten, die den Spin von Elektronen statt elektrischer Ladung nutzen, um Daten zu speichern und Informationen zu verarbeiten.
In der neuen Studie gelang es einem interdisziplinären Forschungsteam der University of Minnesota, ein solches Dünnschichtmaterial zu synthetisieren und sein Potenzial für hohe Leistung und geringen Energieverbrauch zu demonstrieren.
„Diese Studie zeigt zum ersten Mal, dass es möglich ist, mithilfe einer magnetischen Dotierungsstrategie von einem schwachen topologischen Isolator zu einem topologischen Halbmetall überzugehen“, sagte Jianping Wang, leitender Autor der Arbeit, Distinguished Professor an der McKnight University und Robert Hartmann Chair Professor am Department of Electrical and Computer Engineering der University of Minnesota. „Wir suchen nach Möglichkeiten, die Lebensdauer elektronischer Geräte zu verlängern und gleichzeitig den Energieverbrauch zu senken, und wir versuchen, dieses Ziel mit nicht-traditionellen, unkonventionellen Methoden zu erreichen.“
Forscher untersuchen seit Jahren topologische Materialien, aber das Team der University of Minnesota ist das erste, das ein patentiertes, industriekompatibles Sputterverfahren verwendet, um dieses Halbmetall in dünner Filmform herzustellen. Wang sagte, dass die Technologie aufgrund der Kompatibilität ihres Prozesses mit der Industrie leichter übernommen und für die Herstellung realer Geräte verwendet werden könne.
„Wir nutzen jeden Tag in unserem Leben elektronische Geräte, von Mobiltelefonen über Geschirrspüler bis hin zu Mikrowellenherden. Sie alle verwenden Chips. Alles verbraucht Energie“, sagte Andre Mkhoyan, der leitende Autor der Zeitung und Ray D. und Mary T. Johnson-Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaften an der University of Minnesota. „Die Frage ist, wie wir den Energieverbrauch minimieren können? Diese Forschung ist ein Schritt in diese Richtung. Wir entwickeln eine neue Klasse von Materialien mit ähnlichen oder sogar besseren Eigenschaften, aber mit geringerem Energieverbrauch.“
Da die Forscher ein so hochwertiges Material geschaffen haben, konnten sie auch seine Eigenschaften und seine Einzigartigkeit sorgfältig analysieren.
„Aus physikalischer Sicht besteht einer der wichtigsten Beiträge dieser Arbeit darin, dass wir einige der grundlegendsten Eigenschaften dieses Materials untersuchen konnten“, sagte Tony Low, leitender Autor der Arbeit und Paul Palmberg Associate Professor am Department of Electrical and Computer Engineering der University of Minnesota. „Normalerweise erhöht sich der Längswiderstand des Materials, wenn man ein Magnetfeld anlegt, aber bei diesem speziellen topologischen Material haben wir vorhergesagt, dass der Längswiderstand abnehmen würde. Wir konnten unsere Theorie mit gemessenen Transportdaten untermauern und bestätigen, dass es tatsächlich einen negativen Widerstand gibt.“
Seit mehr als einem Jahrzehnt arbeiten Low, Mkhoyan und Wang gemeinsam an topologischen Materialien für elektronische Geräte und Systeme der nächsten Generation – Forschung, die ohne die Kombination ihrer jeweiligen Fachkenntnisse in Theorie und Berechnung, Materialwachstum und -charakterisierung sowie Geräteherstellung nicht möglich gewesen wäre. „Die Erforschung eines so wichtigen und herausfordernden Themas erfordert nicht nur eine inspirierende Vision, sondern auch große Geduld und eine Gruppe engagierter Teammitglieder aus vier Disziplinen, die es ermöglichen werden, diese Technologie vom Labor in die Industrie zu übertragen“, sagte Wang.